基于GIS的區(qū)域科技創(chuàng)新空間聚集效應(yīng)評(píng)價(jià)

雷懷英，靳辰璐

(天津工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，天津 300387)

一 引言

科技是第一生產(chǎn)力，經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開科技創(chuàng)新。近些年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，但區(qū)域發(fā)展卻不平衡，該不平衡問(wèn)題更多的是由科技方面的差距引起的。區(qū)域科技創(chuàng)新是提升區(qū)域核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素，以往學(xué)者們?yōu)榻鉀Q我國(guó)區(qū)域發(fā)展的不平衡性，嘗試從各個(gè)方面來(lái)尋求區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力。近年來(lái)學(xué)術(shù)界偏向于從空間統(tǒng)計(jì)分析的角度，研究區(qū)域科技創(chuàng)新的問(wèn)題。因此，本文從空間統(tǒng)計(jì)分析的角度，在區(qū)域科技研究中引入地理信息系統(tǒng)(GIS)，從考察區(qū)域科技創(chuàng)新的空間差異入手，分析區(qū)域科技創(chuàng)新空間結(jié)構(gòu)演變歷程和聚集格局及其效應(yīng)，從而探索出依靠加快區(qū)域科技創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的方法。GIS是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。其最關(guān)鍵的特性是將各種與空間有關(guān)的數(shù)據(jù)與地理位置鏈接在一起，從空間角度出發(fā)對(duì)分布在一定地理區(qū)域內(nèi)的各種規(guī)劃、決策和管理問(wèn)題進(jìn)行分析、處理和解決。

二 區(qū)域科技創(chuàng)新綜合水平的空間分布特點(diǎn)

區(qū)域科技創(chuàng)新能力已經(jīng)成為衡量本地區(qū)經(jīng)濟(jì)能否擁有長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)的決定性因素之一，區(qū)域科技創(chuàng)新能力同時(shí)還是衡量區(qū)域經(jīng)濟(jì)參與者是否擁有核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志，此外，區(qū)域科技創(chuàng)新能力也是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本動(dòng)力，宋學(xué)峰、王啟仿、劉耀彬從科技投入、科技產(chǎn)出社會(huì)管理環(huán)境和可持續(xù)創(chuàng)新這幾個(gè)方面構(gòu)建了一套區(qū)域科技創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;邵云飛、唐小我、王為民等對(duì)影響區(qū)域科技創(chuàng)新能力因素進(jìn)行了分析，通過(guò)這些研究的啟示，我們構(gòu)建了區(qū)域科技創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲取性，從科技投入、科技產(chǎn)出以及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展三個(gè)維度，選擇10個(gè)指標(biāo)對(duì)區(qū)域科技創(chuàng)新進(jìn)行評(píng)價(jià)(見表1)。

為了保證評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度，本文收集了2009－2011年三年間各區(qū)域的相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，將三年數(shù)據(jù)平均值作為最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)。數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)科技統(tǒng)計(jì)年鑒》(2009年、2010年、2011年)數(shù)據(jù)整理，其中指標(biāo)X5(國(guó)外論文數(shù))是2年平均，其他數(shù)據(jù)均為2009年至2011年三年每項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的平均值。

根據(jù)下頁(yè)表1所選取的指標(biāo)，利用主成分分析法對(duì)各區(qū)域進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到各地區(qū)科創(chuàng)新能力的綜合分后，借助于ArcGIS9.2在中國(guó)地圖上對(duì)樣本地區(qū)的科技創(chuàng)新綜合水平進(jìn)行等級(jí)劃分(如下頁(yè)圖1)?？梢苑浅Ｖ庇^地反映出我國(guó)的科技創(chuàng)新綜合水平的地域分布特點(diǎn)。本文采用的分級(jí)方案為Natural Breaks自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，它是在分級(jí)數(shù)確定的情況下，通過(guò)聚類分析將差異性最大的數(shù)據(jù)分在不同級(jí)，相似性最大的數(shù)據(jù)分在同一級(jí)，這種方法比較好保持?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性。

表1 區(qū)域科技創(chuàng)新評(píng)價(jià)主要指標(biāo)

圖1 區(qū)域科技創(chuàng)新綜合水平的地域分布圖

區(qū)域科技創(chuàng)新綜合水平得分低于1.1，高于0.15的地區(qū)為科技創(chuàng)新次高水平區(qū)域。這個(gè)區(qū)域包括廣東省、江蘇省、天津市，約占樣本總數(shù)的10%。這幾個(gè)省份都是位于東部沿海，其中，北京市的巨大科技輻射效應(yīng)給天津市帶來(lái)強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，決定了天津市必然較高的科技創(chuàng)新水平;江蘇省近年以來(lái)企業(yè)自主創(chuàng)新投入力度不斷加大，創(chuàng)新產(chǎn)出優(yōu)勢(shì)凸顯;廣東省的科技創(chuàng)新水平在全國(guó)范圍內(nèi)也趨于較高水平。

區(qū)域科技創(chuàng)新綜合水平得分低于0.15，高于－0.1的地區(qū)為科技創(chuàng)新中上等水平區(qū)域。包括福建省、浙江省、山東省、遼寧省，約占樣本總數(shù)的13%。福建省、浙江省、山東省、遼寧省都位于東部沿海地區(qū)，這些省區(qū)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，并且其高等教育水平也比較高，屬于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較靠前的地區(qū)。

區(qū)域科技創(chuàng)新綜合水平得分低于－0.1，高于－0.3的地區(qū)為科技創(chuàng)新中等水平區(qū)域。包括山西省、安徽省、黑龍江省、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、湖南省、湖北省、四川省、重慶市、寧夏回族自治區(qū)，約占樣本總數(shù)的35%。

區(qū)域科技創(chuàng)新綜合水平得分低于－0.3的地區(qū)為科技創(chuàng)新低水平區(qū)域。包括河南省、河北省、青海省、甘肅省、廣西壯族自治區(qū)、江西省、云南省、貴州省、新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)、海南省，約占樣本總數(shù)的35%。

可見我國(guó)地域科技創(chuàng)新水平呈現(xiàn)明顯的梯度特征，反映了我國(guó)不均衡的科技創(chuàng)新力量。區(qū)科技創(chuàng)新水平從西部地區(qū)到中部省域，再到東部沿海地區(qū)依次升高，從北往南也是如此。在少數(shù)地區(qū)科技創(chuàng)新力量分布集中，其中北京市、上海市和科技創(chuàng)新水平較高的環(huán)渤海、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)為科技創(chuàng)新高水平區(qū)域，而中部地區(qū)多為科技創(chuàng)新中等水平區(qū)域，我國(guó)的科技創(chuàng)新低水平區(qū)域則是西北的大部分地區(qū)。并且我國(guó)這種科技創(chuàng)新水平在不同地域高低不同是與其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是相匹配的。

三 區(qū)域科技創(chuàng)新空間聚集效應(yīng)分析

(一)區(qū)域科技創(chuàng)新空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)是指一些變量在同一個(gè)分布區(qū)內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)之間潛在的相互依賴性，所描述的是同一變量在空間位置a與其鄰近位置aj上的相關(guān)性。空間自相關(guān)分為兩種，即全域自相關(guān)和局域自相關(guān)。對(duì)于任意一個(gè)空間變量X，其臨近值對(duì)于其自身相似或不相似的程度是空間自相關(guān)所要測(cè)度的，如果是正空間自相關(guān)，說(shuō)明其臨近位置上的數(shù)值相互間比較接近，反之，則表明臨近位置上的數(shù)值相互間不接近。

一般常用空間自相關(guān)指數(shù)Moran’s I統(tǒng)計(jì)量來(lái)測(cè)度空間自相關(guān)，假設(shè)研究區(qū)域中有n個(gè)單元區(qū)域，以R＆D經(jīng)費(fèi)為衡量指標(biāo)，記第i個(gè)區(qū)域的R＆D經(jīng)費(fèi)為yi，ˉy表示所有區(qū)域R＆D經(jīng)費(fèi)的平均水平，則Moran’s I可定義為:

其中Wij為空間權(quán)重矩陣，是對(duì)空間接近性的定量化測(cè)度。該矩陣的計(jì)算方法有多種，因?yàn)閷?duì)接近性的定義不同，而本文選用的是鄰近定義，單元面積共享邊界定義為鄰近，如果兩個(gè)單元共享邊界，則權(quán)重矩陣Wij=1，否則Wij=0，即:

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Moran’s I指數(shù)的取值范圍在－1到+1之間，Moran’s I的期望值為正數(shù)表示正相關(guān)，Moran’s I的期望值為負(fù)數(shù)則表示負(fù)相關(guān)，如果Moran’s I的值接近0，則表明空間過(guò)程不相關(guān)。空間集聚程度越高，Moran指數(shù)則越大。

根據(jù)Moran’s I指數(shù)的公式，選取我國(guó)科技創(chuàng)新R＆D經(jīng)費(fèi)內(nèi)部支出指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算(見表2)。

表2 2006－2011年我國(guó)科技創(chuàng)新R＆D經(jīng)費(fèi)支出的空間自相關(guān)系數(shù)

表2是2006年至2011年我國(guó)科技活動(dòng)經(jīng)費(fèi)內(nèi)部支出的G值和Z值，從表中可以看出Moran I的顯著性檢驗(yàn)值Z值均大于正態(tài)分布函數(shù)在0.01水平下的數(shù)值，即臨界值1.96，表明我國(guó)科技創(chuàng)新經(jīng)費(fèi)內(nèi)部支出的空間自相關(guān)性為明顯的正相關(guān)，即全國(guó)各省科技創(chuàng)新R＆D經(jīng)費(fèi)內(nèi)部支出處于非隨機(jī)的空間分布狀態(tài)，科技創(chuàng)新水平較高的區(qū)域傾向于聚集在一起，科技創(chuàng)新水平較低的地區(qū)也聚集在一起。

(二)區(qū)域科技創(chuàng)新的空間集聚模式演化

在實(shí)際情況中全局Moran’s I指數(shù)只能對(duì)研究區(qū)域整體進(jìn)行空間相關(guān)性測(cè)度，而局部Moran’s I指數(shù)則可以度量一些存在空間異質(zhì)性的區(qū)域，即空間自相關(guān)性在一些區(qū)域上的程度較高，而在另一些區(qū)域上程度較低，甚至有可能在同一研究區(qū)域中同時(shí)出現(xiàn)正的自相關(guān)和負(fù)的自相關(guān)。設(shè)研究區(qū)域?yàn)閕區(qū)域，以所選指標(biāo)在i區(qū)域觀測(cè)值度量的局部Moran’s I指數(shù)定義為:

式中yi，yj分別是對(duì)于均值和標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)化變量;即:yi=(xi－ˉx)/δ，δ為所選指標(biāo)在i區(qū)域觀測(cè)值(xi)的標(biāo)準(zhǔn)差。

從計(jì)算公式可知，局部Moran’s I的計(jì)算分為兩部分，一部分是區(qū)域i的觀測(cè)值與全國(guó)觀測(cè)值均值的離差的標(biāo)準(zhǔn)化變量，另一部分是相鄰區(qū)域觀測(cè)值與全國(guó)觀測(cè)值加權(quán)平均后的均值離差的標(biāo)準(zhǔn)化變量。由于這兩個(gè)部分的不同取值，分為四種聚集類型，聚集類型不同所表示的一個(gè)地區(qū)和其鄰近地區(qū)之間存在的關(guān)系也不相同。四種聚集類型如下所示:

(1)H－H 型(High－High)。Ii＞0，表示該區(qū)域有較高水平，而且與其鄰近區(qū)域有較小的空間差異，即高水平區(qū)域被其他高水平區(qū)域所包圍;

(2)L－H型(Low－High)。Ii＜0，表示該區(qū)域有較低水平，而且與其鄰近區(qū)域有較大的空間差異，即低水平區(qū)域被其他高水平的區(qū)域所包圍;

(3)L－L型(Low －Low)。Ii＞0，表示該區(qū)域有較低水平，而且與其鄰近區(qū)域有較小的空間差異，即低水平區(qū)域被其他低水平區(qū)域所包圍;

(4)H－L型(High－Low)。Ii＜0，表示該區(qū)域有較高水平，而且與其鄰近區(qū)域有較大的空間差異，即高水平區(qū)域被其他低水平的區(qū)域所包圍。

通過(guò) ArcGIS9.2 軟件對(duì) 2000、2005、2008、2011年的局部Moran’s I指數(shù)LMIi和Z檢驗(yàn)值分別進(jìn)行計(jì)算，并利用以上類型劃分規(guī)則進(jìn)行劃分，制作可視化地圖(見圖2)。

圖2 我國(guó)區(qū)域科技創(chuàng)新局部自相關(guān)類型分布圖

從圖2可以直觀地看出，2000年以來(lái)我國(guó)區(qū)域科技創(chuàng)新的聚集格局變化不大，基本具有以下特點(diǎn):(1)H－H型區(qū)域的變化趨勢(shì)不太明顯。在數(shù)量方面，H－H型區(qū)域2008年和2011年比2000年和2005年數(shù)量多增加一個(gè)天津地區(qū)。在范圍方面，H－H型的區(qū)域分布在東部沿海地區(qū)，上海為中心區(qū)域城市，具有一定的擴(kuò)散效應(yīng)，以江蘇和上海為中心，形成天津——山東——江蘇——上?！憬陌l(fā)展紐帶。(2)H－L型區(qū)域數(shù)量較少，只有五六個(gè)區(qū)域，該類型區(qū)域其本身經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，而周圍區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較慢，最為典型的區(qū)域是四川，這些地區(qū)的科技創(chuàng)新對(duì)全國(guó)的科技創(chuàng)新起著重要帶動(dòng)作用。加上政府的政策扶持，對(duì)這些地帶進(jìn)行有效規(guī)劃，其科技創(chuàng)新可以帶動(dòng)其周圍地區(qū)科技創(chuàng)新的提升，從而起到示范和帶動(dòng)作用。(3)L－H型2011年相比前三年有所增加，該區(qū)域其科技創(chuàng)新較慢，而周圍區(qū)域科技創(chuàng)新較快，主要位于H－L型和H－H型區(qū)域板塊的中間地帶，具有被帶動(dòng)的潛力。(4)L－L型區(qū)域基本分布于西部和北部的廣大連片地域，以及中部的貴州、重慶等地?？梢娺@些科技創(chuàng)新的低洼地帶一直沒(méi)有找到新的科技創(chuàng)新點(diǎn)。

四 區(qū)域科技創(chuàng)新的空間擴(kuò)散效應(yīng)

早在1953年黑格斯特蘭德(Hgerstrand)已經(jīng)對(duì)創(chuàng)新空間擴(kuò)散規(guī)律和內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了詳盡的探索，研究提出兩個(gè)重要結(jié)論:“等級(jí)效應(yīng)”和“鄰近效應(yīng)”。前者是指在一個(gè)體系中，創(chuàng)新總是按照等級(jí)來(lái)擴(kuò)散，創(chuàng)新逐步由高梯度地區(qū)向低梯度地區(qū)擴(kuò)散，后者是指創(chuàng)新從創(chuàng)新源逐漸向周圍地區(qū)擴(kuò)散。區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的點(diǎn)軸擴(kuò)散理論中的“軸”是一個(gè)高梯級(jí)的線狀地帶，即由若干個(gè)高梯級(jí)地區(qū)相互連成的一個(gè)區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域上，交通往來(lái)便利，信息交流暢通，從經(jīng)濟(jì)距離來(lái)考慮，這個(gè)軸線就縮為一個(gè)“點(diǎn)”，成為一個(gè)更大的增長(zhǎng)極，增長(zhǎng)極是科技創(chuàng)新空間擴(kuò)散的源泉。目前我國(guó)已經(jīng)形成以天津——山東——江蘇——上?！憬目萍紕?chuàng)新發(fā)展紐帶，構(gòu)成了區(qū)域經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展的增長(zhǎng)極和原動(dòng)力。

通過(guò)中國(guó)區(qū)域科技創(chuàng)新局部自相關(guān)類型分布圖只能看出擴(kuò)散數(shù)量和范圍，不能夠清晰地看出四年之間高聚集地?cái)U(kuò)散效應(yīng)存在的差別，所以利用Arc－GIS9.2軟件對(duì)2006年、2008年、2010年、2011年的區(qū)域科技創(chuàng)新分布圖做渲染，如下頁(yè)圖3所示。

圖3 中國(guó)區(qū)域科技創(chuàng)新分級(jí)渲染圖

圖3是我國(guó)科技經(jīng)費(fèi)內(nèi)部支出分布的分級(jí)渲染圖，灰色區(qū)域的大小表示該項(xiàng)指標(biāo)在該區(qū)域的影響范圍的大小。從圖中可以明顯地看出影響范圍最大的區(qū)域始終是上海、北京、廣東和江蘇，在2011年以江蘇、上海為中心向四周擴(kuò)散，東海岸幾乎連成一片，由東向西影響范圍有所縮小。在西南和西北地區(qū)主要分布的是影響范圍較小的區(qū)域，中部的貴州和湖南等省域也屬于影響范圍較小的區(qū)域。隨著時(shí)間的推移，每個(gè)年份的情況也有所變化?？梢詮膱D中清楚地看到，與2000年對(duì)比，沿海地區(qū)的情況在2011年發(fā)生了很大變化，但中西部地區(qū)變化不大，導(dǎo)致中西部地區(qū)與東部地區(qū)的差距仍然較大。

五 結(jié)論

本文將空間地理信息與統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合用于研究區(qū)域科技創(chuàng)新，對(duì)我國(guó)科技創(chuàng)新空間分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并且對(duì)其空間聚集效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)證研究。主要觀點(diǎn)和結(jié)論有:

(1)我國(guó)地域科技創(chuàng)新水平呈現(xiàn)明顯的梯度特征，區(qū)科技創(chuàng)新水平從西部地區(qū)到中部省域，再到東部沿海地區(qū)依次升高，從北往南也是如此。

(2)全國(guó)各省科技創(chuàng)新R＆D經(jīng)費(fèi)內(nèi)部支出的空間分布是非隨機(jī)狀態(tài)，Moran’s I指數(shù)表明科技創(chuàng)新水平存在顯著的空間自相關(guān)性，較高的科技創(chuàng)新水平區(qū)域傾向于聚集在一起，較低的科技創(chuàng)新水平地區(qū)也聚集在一起，科技創(chuàng)新水平相同的區(qū)域在地域上有顯著的聚集特征。

(3)從擴(kuò)散數(shù)量和范圍看2000年以來(lái)科技創(chuàng)新的聚集格局的變化不明顯，擴(kuò)散的范圍和數(shù)量變化不大，但從擴(kuò)散的效應(yīng)來(lái)看科技發(fā)達(dá)地區(qū)的擴(kuò)散與帶動(dòng)作用卻明顯增強(qiáng)。

科技創(chuàng)新是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力，科技創(chuàng)新的擴(kuò)散與帶動(dòng)作用是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力，由于科技創(chuàng)新呈現(xiàn)梯度發(fā)展的空間特點(diǎn)，政府相關(guān)部門應(yīng)該首先從擴(kuò)散的數(shù)量和范圍上著手，一邊引導(dǎo)相鄰區(qū)域之間加大科技合作的力度和范圍，另一方面對(duì)低科技創(chuàng)新的區(qū)域進(jìn)行政策上傾斜和扶持。

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